《Environmental Microbiology Reports》：Ecological, Functional, and Phylogenetic Determinants of Cyanobacterial Biomineralisation
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本综述系统阐述了蓝藻将CO2生物矿化为固态碳酸盐的机制与生态意义，这一过程在全球碳生物地球化学循环中连接大气CO2与岩石圈碳酸盐储库。文章重点分析了蓝藻生物矿化的生态与细胞学驱动因素，指出其为应对环境波动演化出的复杂细胞壁结构与快速代谢适应策略，其中生物矿化是一种切实有效的适应性表现。文章特别关注了跨细胞被膜的代谢过程及相关离子运输机制，这些机制对促进矿物成核和生长至关重要。
蓝藻生物矿化：机制、功能与全球意义
蓝藻在将二氧化碳生物矿化为固态碳酸盐的过程中扮演关键角色，这一过程是全球碳生物地球化学循环的关键环节，将大气中的CO2与岩石圈的碳酸盐储库联系起来。与已被深入研究的光合碳固定不同，生物矿化路径仍知之甚少，这可能导致低估其全球相关性。本综述旨在总结当前发现，并重点阐述促成蓝藻生物矿化的生态和细胞因素。
生物矿化的定义与广泛性
生物矿化是生物体通过生物控制或环境驱动的生物诱导机制产生和沉积矿物（无定形或结晶）的过程。这种现象在生命树中广泛存在，发生于原核生物和真核生物中。尤其是细菌和蓝藻，在整个地质时期和各种环境中，一直是塑造地球矿物形成的最有影响力的媒介之一。这群产氧光养型原核生物在近四十亿年的时间里显著改变了地球的生物圈。它们在水生生态系统中无处不在，贡献了宏量营养素、微量营养素、水的生物地球化学循环以及水生光合作用，后者约占全球碳固定的50%–80%。
蓝藻生物矿化的类型与空间定位
蓝藻中的生物矿化主要表现为碳酸钙（CaCO3）的产生，但也通过改变局部化学环境（如pH值、离子可用性或氧化还原状态的变化）影响其他矿物系统。根据矿物产生的性质及其与细胞的空间关联，生物矿化过程可分为不同类型。细胞结构，特别是S层和细胞外聚合物（EPS）基质，通过其有组织的带电表面为矿物成核提供位点，能有效浓缩和定向矿物前体，从而促进成核。在集胞藻（Synechocystis）中，S层通过其副结晶的等孔结构和相关的电荷模式促进成核，增强钙离子（Ca2+）的吸引。EPS基质富含多糖、蛋白质和其他生物聚合物，能捕获离子，改变pH值，稳定新生的矿物相，从而加速结晶并影响矿物形态。S层和EPS共同创造了有利于生物矿物萌发、影响其结构特性并调控其生长的微环境。
蓝藻生物矿化的多样性使得难以用单一框架对所有案例进行分类。这种多样性反映了物种特异性代谢特征与环境条件之间复杂的相互作用。尽管环境因素对矿物形成可能产生强烈且有时是主导性的影响，但仍可确定几个参考点来提供合理的概述。例如，碳酸钙（CaCO3）是最常观察到的矿物相。更广泛地说，生物矿化过程可以根据产生矿物的化学性质及其与细胞的空间关联进行分类，主要包括细胞-环境矿物相互作用（CEMI）、生物诱导的胞外矿化（BIEM）和生物控制的胞内矿化（BCIM）。
细胞-环境矿物相互作用（CEMI）
蓝藻并非仅仅与矿物共存，而是通过结构和代谢连续体与它们相互作用。根据CEMI的特征，可以理解生态策略，追踪进化模式，并识别矿物对生存和代谢的影响。一些相互作用代表了被动的矿物关联，例如石内定殖或表面吸附，蓝藻利用预先存在的地质基质而不直接控制矿物形成。这些矿物可能提供物理支撑和紫外线（UV）保护，或具有代谢作用，作为必需元素（如Fe, Mn, Ca）、水以及支持微生物能量守恒的氧化还原反应的底物库。例如，沙漠中的石内群落，蓝细鞘藻（Chroococcidiopsis spp.）定殖于石英和石膏等半透明矿物中，这些矿物过滤有害的紫外线辐射，同时允许可见光进行光合作用，并截留水分微膜，在超干旱环境中提供保护。
生物诱导的胞外矿化（BIEM）
在BIEM中，生物体的代谢改变了局部微环境，通常在细胞表面引发矿物成核。这代表了一种主动的、生物控制的矿化形式，其中光合作用、呼吸作用、离子螯合或pH调节等代谢过程直接促进胞外矿物的形成。BIEM在蓝藻中广泛存在，包括绿胶藻（Chroococcidiopsis）、宽球藻目（Pleurocapsales）、微鞘藻（Microcoleus chthonoplastes）、念珠藻（Nostoc spp.）和聚球藻（Synechococcus spp.）等。代谢活动，特别是光合作用和呼吸作用，会提高局部环境pH值并改变离子浓度，促进碳酸盐以各种矿物形式（包括方解石、文石和其他碳酸盐相和/或铁氧化物）在细胞外沉淀。一个相关的胞外生物矿化现象是“白浊”（whitings）。在此过程中，光合作用提高了周围环境的局部pH值，引发细小的白色碳酸钙微晶（通常为文石或方解石）快速沉淀。这些晶体悬浮在水中，产生浑浊或乳白色的外观。与胞内生物矿化不同，白浊是光合作用的间接副产品，似乎不直接带来代谢益处。
生物控制的胞内矿化（BCIM）
在BCIM中，矿物形成受到严格调控，通常发生在特化的细胞区域或区室内。与CEMI和BIEM不同，BCIM代表了一种独特的、主动的、基因编码的生物矿化形式，与特定的代谢状态直接耦合，并且常常涉及在囊泡或其他胞内结构内的区室化。据报道，能形成胞内碳酸盐的蓝藻物种数量持续增加，包括模型生物，如嗜热聚球藻（Thermosynechococcus elongatus）和集胞藻（Synechococcus spp.）。特别值得注意的是石生胶球藻（Gloeomargarita lithophora），它在遗传控制下形成胞内碳酸盐内含物。同样，绿球藻目（Chroococcales）物种铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）PCC 7806产生胞内富钙无定形碳酸盐（iACC），与光合循环和光周期相关，表明其对代谢状态的强烈依赖性。胞内矿物内含物的空间定位揭示了不同的潜在机制。石生胶球藻显示随机分布的包含物，而钙极性聚球藻（Synechococcus calcipolaris）形成的包含物局限于细胞两极。这种空间模式表明生物矿化与细胞分裂以及胞内结构（如细胞骨架）之间存在联系。
生物矿化的功能与生态意义
生物矿化可能最初是作为代谢副产物出现的，但现在它代表了一种主动的适应策略，使微生物能够改变其微环境，稳定胞外条件并促进生存。在蓝藻中，生物矿化反映了其生理学与环境之间复杂的相互作用。矿物沉淀可以带来若干生态和生理优势：它可以缓冲外部pH值，调节无机碳的可用性，并帮助稳定局部微环境，从而支持核心代谢过程并增强在波动或极端条件下的生存能力。从生理学角度来看，包含物可能作为离子储存、细胞内pH缓冲或代谢调节器。例如，包含物可能充当 ballast 用于调节细胞在水生环境中的扩散，和/或它们可能是光合作用的产物，作为过量碱度的汇，起到细胞内pH缓冲系统的作用。鉴于所需的代谢投入和特异性，BCIM很可能代表了一种由进化压力塑造的特化适应，可能与生态位分化或增强对环境压力的耐受性有关。
蓝藻生物矿化在生物技术方面也具有重要潜力，为碳捕获和长期封存提供了低能耗、可扩展且自我维持的策略。基于同样原理，蓝藻中的生物矿化在生物修复中也发挥着主要作用，能够沉淀和固定污染环境中的有毒金属、类金属甚至放射性核素，有效地充当天然缓冲剂。通过将有害物质转化为稳定的矿物相，蓝藻降低了其流动性和生物利用度，有助于解毒和长期封存。
进化起源与全球意义
蓝藻是启动产氧光合作用的古老光合生物的直接后代，对地球大气产生了深远影响。除了光合作用，它们还在生物矿化中扮演关键角色，特别是在水体和土壤环境中碳酸钙的沉淀。叠层石是这种活动的古生物学证据，是地质时间尺度上早期年代生物学的主要参考，表明生物矿化在蓝藻进化过程中与产氧光合作用的兴起同时早期出现。蓝藻生物矿化主要涉及碳酸钙的产生，但也通过改变局部化学环境（如pH值、离子可用性或氧化还原状态的变化）影响其他矿物系统。现代生物矿化过程很可能从这些早期的适应策略进化而来，其中生物体最初通过被动利用可用的地质矿物库来增强生存，后来通过主动改变其周围环境。
从系统发育的角度看，生物矿化分布在多个蓝藻谱系中。对68个菌株的大规模筛选显示，胞内碳酸钙生物矿化在整个蓝藻门中广泛存在，表明其具有古老且深远的进化起源。ccyA基因等分子标记的鉴定，该基因编码钙蓝蛋白（calcyanin），一种与胞内碳酸钙形成相关的蛋白质，从而参与BCIM过程，进一步支持了潜在此能力背后的保守遗传机制的存在。蓝藻生物矿化也持有重要的生物技术潜力，为碳捕获和长期封存提供了低能量、可扩展且自我维持的策略。
总结与展望
总之，生物矿化是塑造地球环境和维持生态平衡的基本力量。蓝藻在这一过程中扮演着重要角色。这些古老的微生物是最早与产氧光合作用一起参与生物矿化的生物之一，对早期地球环境产生了显著影响。尽管在理解生物矿化方面取得了进展，但其遗传和分子调控因子、启动它的生态触发因素以及矿物沉积的生理作用仍有许多问题。未来的研究应整合系统发育、代谢和细胞被膜结构方面的知识，以在特定环境背景下理解蓝藻生物矿化。区分不同类型的生物矿化（BIEM, BCIM, CEMI）及其潜在的共存性，同时将它们与EPS/S层系统、代谢特征和环境参数（例如，钙可用性、碳酸盐化学、pH和过饱和度）联系起来，将有助于阐明它们的功能作用和选择压力。对蓝藻生物矿化的更广泛理解将为了解与早期地球过程相关的关键问题提供宝贵的见解，包括生命的起源和地质时期生物地球化学循环的演化。因此，持续的跨学科研究对于揭示这些卓越生物的全部潜力、增进我们对地球历史的理解以及应对当代环境挑战至关重要。
